Échantillons d’un revêtement de toit intelligent toutes saisons conçu pour garder les maisons au chaud pendant l’hiver et au frais pendant l’été – sans consommer de gaz naturel ou d’électricité. L’appareil ressemble à du scotch et peut être apposé sur des surfaces solides telles qu’un toit. Les résultats des recherches menées par des scientifiques du laboratoire national Lawrence Berkeley du ministère de l’Énergie indiquent une technologie révolutionnaire qui surpasse les systèmes commerciaux de toits froids en termes d’économies d’énergie. Crédit : Junqiao Wu, Laboratoire national Lawrence Berkeley
Breakthrough régule la température de la maison sans consommer de gaz naturel ou d’électricité.
Les scientifiques ont développé un revêtement de toit intelligent toutes saisons qui garde les maisons au chaud pendant l’hiver et au frais pendant l’été sans consommer de gaz naturel ou d’électricité. Résultats de recherche rapportés dans la revue La science soulignent une technologie révolutionnaire qui surpasse les systèmes commerciaux à toit froid en termes d’économies d’énergie.
« Notre revêtement de toiture toutes saisons passe automatiquement du maintien au frais au maintien au chaud, en fonction de la température de l’air extérieur. Il s’agit d’une climatisation et d’un chauffage sans énergie et sans émissions, le tout dans un seul appareil », a déclaré Junqiao Wu, chercheur à la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et professeur de science et d’ingénierie des matériaux à l’UC Berkeley qui a dirigé l’étude.
Les systèmes de toiture froide d’aujourd’hui, tels que les revêtements réfléchissants, les membranes, les bardeaux ou les tuiles, ont des surfaces de couleur claire ou plus foncée qui refroidissent les maisons en réfléchissant la lumière du soleil. Ces systèmes émettent également une partie de la chaleur solaire absorbée sous forme de rayonnement infrarouge thermique ; dans ce processus naturel connu sous le nom de refroidissement radiatif, la lumière infrarouge thermique est rayonnée loin de la surface.
Le problème avec de nombreux systèmes de toits frais actuellement sur le marché est qu’ils continuent à émettre de la chaleur en hiver, ce qui augmente les coûts de chauffage, a expliqué Wu.
« Notre nouveau matériau – appelé revêtement radiatif adaptatif à la température ou TARC – peut permettre des économies d’énergie en désactivant automatiquement le refroidissement radiatif en hiver, surmontant ainsi le problème du refroidissement excessif », a-t-il déclaré.
Un toit pour toutes les saisons
Les métaux sont généralement de bons conducteurs d’électricité et de chaleur. En 2017, Wu et son équipe de recherche ont découvert que les électrons du dioxyde de vanadium se comportent comme un métal pour l’électricité mais un isolant pour la chaleur – en d’autres termes, ils conduisent bien l’électricité sans conduire beaucoup de chaleur. “Ce comportement contraste avec la plupart des autres métaux où les électrons conduisent la chaleur et l’électricité proportionnellement”, a expliqué Wu.
Configuration pour une expérience sur le toit dans les East Bay Hills. Les données de l’expérience ont été utilisées pour simuler les performances du TARC tout au long de l’année dans des villes représentant 15 zones climatiques différentes à travers le continent américain. Crédit : avec l’aimable autorisation de Junqiao Wu
Dioxyde de vanadium en dessous d’environ 67 degrés Celsius (153 degrés Fahrenheit) est également transparent à (et donc non absorbant) la lumière infrarouge thermique. Mais une fois que le dioxyde de vanadium atteint 67 degrés Celsius, il passe à l’état métallique, absorbant la lumière infrarouge thermique. Cette capacité à passer d’une phase à l’autre, en l’occurrence d’un isolant à un métal, est caractéristique de ce qu’on appelle un matériau à changement de phase.
Pour voir comment le dioxyde de vanadium fonctionnerait dans un système de toiture, Wu et son équipe ont conçu un dispositif à couche mince TARC de 2 centimètres sur 2 centimètres.
Le TARC “ressemble à du scotch et peut être apposé sur une surface solide comme un toit”, a déclaré Wu.
Dans une expérience clé, le co-auteur principal Kechao Tang a mis en place une expérience sur le toit de la maison de Wu à East Bay l’été dernier pour démontrer la viabilité de la technologie dans un environnement réel.
Un appareil de mesure sans fil installé sur le balcon de Wu a enregistré en continu les réponses aux changements de lumière directe du soleil et de température extérieure à partir d’un échantillon de TARC, d’un échantillon de toit sombre commercial et d’un échantillon de toit blanc commercial sur plusieurs jours.
Comment TARC surpasse en économies d’énergie
Les chercheurs ont ensuite utilisé les données de l’expérience pour simuler les performances du TARC tout au long de l’année dans des villes représentant 15 zones climatiques différentes à travers le continent américain.
Wu a fait appel à Ronnen Levinson, co-auteur de l’étude, scientifique et chef du Heat Island Group dans la zone des technologies énergétiques du Berkeley Lab, pour l’aider à affiner son modèle de température de surface du toit. Levinson a développé une méthode pour estimer les économies d’énergie du TARC à partir d’un ensemble de plus de 100 000 simulations énergétiques de bâtiments que Heat Island Group a précédemment effectuées pour évaluer les avantages des toits frais et des murs frais à travers les États-Unis.
Kaichen Dong (à gauche) et Jiachen Li ajustent un dispositif de dépôt par laser pulsé (PLD) utilisé pour développer le revêtement de toit intelligent TARC. Crédit : Thor Swift/Laboratoire de Berkeley
Finnegan Reichertz, un 12e étudiant à l’East Bay Innovation Academy à Oakland qui a travaillé à distance en tant que stagiaire d’été pour Wu l’année dernière, a aidé à simuler comment le TARC et les autres matériaux de toiture fonctionneraient à des moments spécifiques et à des jours spécifiques tout au long de l’année pour chacune des 15 villes ou les zones climatiques que les chercheurs ont étudiées pour l’article.
Les chercheurs ont découvert que le TARC surpasse les revêtements de toiture existants en termes d’économie d’énergie dans 12 des 15 zones climatiques, en particulier dans les régions avec de grandes variations de température entre le jour et la nuit, comme la région de la baie de San Francisco, ou entre l’hiver et l’été, comme New York. Ville.
“Avec l’installation du TARC, le ménage moyen aux États-Unis pourrait économiser jusqu’à 10 % d’électricité”, a déclaré Tang, qui était chercheur postdoctoral au laboratoire Wu au moment de l’étude. Il est maintenant professeur assistant à l’Université de Pékin à Pékin, en Chine.
Les toits froids standard ont une réflectance solaire élevée et une émittance thermique élevée (la capacité de libérer de la chaleur en émettant un rayonnement infrarouge thermique) même par temps frais.
Selon les mesures des chercheurs, le TARC réfléchit environ 75 % de la lumière du soleil toute l’année, mais son émittance thermique est élevée (environ 90 %) lorsque la température ambiante est chaude (supérieure à 25 degrés Celsius ou 77 degrés Fahrenheit), favorisant la perte de chaleur vers Le ciel. Par temps plus frais, l’émittance thermique du TARC passe automatiquement à faible, aidant à retenir la chaleur de l’absorption solaire et du chauffage intérieur, a déclaré Levinson.
Les résultats d’expériences de spectroscopie infrarouge utilisant des outils avancés à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab ont validé les simulations.
“La physique simple prédisait que le TARC fonctionnerait, mais nous avons été surpris qu’il fonctionne si bien”, a déclaré Wu. « À l’origine, nous pensions que le passage du réchauffement au refroidissement ne serait pas si dramatique. Nos simulations, expériences en extérieur et expériences en laboratoire ont prouvé le contraire – c’est vraiment excitant.
Les chercheurs prévoient de développer des prototypes de TARC à plus grande échelle pour tester davantage ses performances en tant que revêtement de toit pratique. Wu a déclaré que le TARC pourrait également avoir un potentiel en tant que revêtement de protection thermique pour prolonger la durée de vie de la batterie des smartphones et des ordinateurs portables, et protéger les satellites et les voitures des températures extrêmement élevées ou basses. Il pourrait également être utilisé pour fabriquer des tissus de régulation de température pour les tentes, les revêtements de serre et même les chapeaux et les vestes.
Référence : « Revêtement radiatif adaptatif à la température pour la régulation thermique des ménages toutes saisons » par Kechao Tang, Kaichen Dong, Jiachen Li, Madeleine P. Gordon, Finnegan G. Reichertz, Hyungjin Kim, Yoonsoo Rho, Qingjun Wang, Chang-Yu Lin, Costas P. Grigoropoulos, Ali Javey, Jeffrey J. Urban, Jie Yao, Ronnen Levinson et Junqiao Wu, 16 décembre 2021, La science.
DOI : 10.1126/science.abf7136
Les co-auteurs principaux de l’étude étaient Kaichen Dong et Jiachen Li.
La fonderie moléculaire est une installation d’utilisateurs de nanosciences au Berkeley Lab.
Ce travail a été principalement soutenu par le DOE Office of Science et une bourse Bakar.
